期末总复习

电波传播概论期末总复习,在实际媒质中，电磁波空间传播应主要从以下三方面进行学习和研究：（）电磁波传播的环境（媒质）特性。主要包括媒质的电学性质、空间结构与边界特性以及规则或随机的时空变化。不均匀的空间变化以及非平稳的随机时间变化过程等复杂现象，是电磁波传播各种时、空、频域效应的根源。（）电磁波传播的物理机制与传播模式。电磁波在各种特性媒质中的传播机制可能涉及吸收、折射、反射、散射、绕射、导引和谐振以及多径干涉和多普勒(Doppler)频移效应等一系列物理过程。这些过程既取决于媒质的特性，也与波的特性密切相关。电磁波传播的状况，取决于电磁波特性参数与媒质特性参数及边界条件的匹配。（）信号的媒质效应和传播特性。无线电信号在各种媒质的传播过程中，可能遭受衰减、衰落、极化偏移和时、频域畸变等效应，并因此而具有复杂的时空变化特性。某些媒质效应对信息传输的质量和可靠性会产生严重的影响。但在有些情况下，媒质效应也被用以作为信息传输的支撑。,2,电磁波传播过程就是电磁波与媒质相互作用的物理过程。,3,麦克斯韦方程组汇总,积分形式：,注意各式的物理意义！,4,各向同性：m和e是标量各向异性：m和e是张量色散介质：m和e与频率有关非色散：m和e与频率无关,本构关系,5,边界条件,6,如果是理想介质,如果是理想导体表面呢？,7,坡印亭定理,功率和能量,能量守恒积分形式,定义,为坡印亭矢量，表示功率流密度（W/m2）。,8,其中：,流出面的总功率,所储电能和磁能的时间变化率,电流所供给的功率,9,时谐电磁场麦克斯韦方程组,10,时谐电磁场边界条件,时谐场的边界条件与一般时变场的边界条件相同，唯一区别是将其中的瞬时场换成对应的相量式，即,11,时谐电磁场功率和能量,在一个时间周期内求平均，可得平均坡印亭矢量,12,假设：线性、无耗、均匀、各向同性媒质,波动方程,13,14,15,无源区域,16,时谐场波动方程,17,18,无源区域,19,电磁波波动方程矢量亥姆霍兹方程,真空波动方程,20,考虑,有,上式表明电场波动是横波，E可以在垂直于k的任意方向上振荡。,波动方程的解平面波,由上式知B与E和k互相垂直，综合可知，平面波为TEM波。同时可知，B与E同相，振幅比为定义波阻抗Z为,21,地面对电波传播的影响主要表现为两个方面：,地面的不平坦性，当地面起伏不平的程度相对于电波波长来说很小时，地面可近似看成是光滑地面。对于长波和中波传播，除高山外均可视地面为平坦的。,地质的情况，主要研究它的电磁特性。地面可以被作为非磁性介质来看待，其导磁率与真空中的相同，即相对磁导率r=1。描述大地电磁特性的主要参数是介电常数（或相对介电常数r）和电导率。,地面波传播环境,传导电流密度Js与位移电流密度JD之比。,衡量标准,时，大地具有良导体性质;时，可将大地视为电介质;而二者相差不大时，为半电介质。,判断某种媒质是呈现导电性还是介电性,23,在对流层中,一般温度随高度以6.5/km的速率下降。在对流层顶(在中国境内,一般高度为1113km)时,温度不再降低,一般达到大约56的恒定值。当然,有时会出现特殊情况,如在对流层的局部高度范围内有时会出现温度随高度上升的反常情况,这种现象称为温度逆增。另外,风、雨、雷、电等现象都发生在对流层内,因此对流层的另一个重要特点就是含有大量的水份,如水汽和降水(形式如雨、雾、雪、雹等)。水份主要出现在近地面数千米的高度范围内,它们对电波传播有很大的影响。,对流层电波传播大气环境,大气的温度与地理纬度、大气层高度和季节有关。平均说来,由地球的赤道向两极方向,纬度每增加1度(相当于111km的地面距离),地面气温降低1。高度每增加1km,气温下降6.5。地面气温在一年内的变化可高达7080,随地点不同而不同。在赤道附近,海洋性地区温差小。在高纬度地区，沙漠地区温差大。气温还有周日变化,特别是在近地面大气层。与气压相比,低层大气中的温度是变化比较大的参量。引起气温变化的因素有太阳热辐射引起的热交换、热传导、对流、平流和绝热变化过程。,收发点TR连线上一点O，过O作垂直于TR的平面S，S与通过TR的垂直平面交PQ，在PQ上，取O1、O2On点，使它们满足,LOS路径（视距路径）,菲涅尔区、带、半径,满足上面第i个方程的所有Oi点在TOiR平面上是个以T和R为焦点的椭圆，将该椭圆以TR为轴旋转得到一个旋转椭球面，上式中每个方程都对应一个旋转椭球面。这些椭球面所包围的空间区域称为第i菲涅尔区。相邻菲涅尔区之间的相位差为180度（l/2的波程差）。O1、O2、On在旋转过程中形成相应的圆周，Oi-1与Oi之间的圆环称为第i菲涅尔带。第一菲涅尔带是一个以OO1为半径的圆面。令Fi=OOi，Fi为第i带的外半径，称为第i菲涅尔半径,设,，则,将其代入,得,第一菲涅尔半径,距离越长，波长越短，菲涅尔半径就越小，并且菲涅尔半径在收发中点处（d1=d2）取最大值。,波长越短，第一菲涅尔区半径越小，对应的第一菲涅尔椭球越细长。对于波长非常短的光学波段，椭球体更加细长，因而产生了光学中研究过的纯粹的射线传播。,第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道,由于电波传播的主要通道并不是一条直线，因此即使某凸出物并没有挡住收、发两点间的几何射线，但是已进入了第一菲涅尔椭球，此时接收点的场强已经受到影响，该收、发两点之间不能视为自由空间传播。而当凸出物未进入第一菲涅尔椭球，即电波传播的主要通道，此时才可以认为该收、发两点之间被视为自由空间传播。,即使在地面上的障碍物遮住收、发两点间的几何射线的情况下，由于电波传播的主要通道未被全部遮挡住，因此接收点仍然可以收到信号，此种现象被称为电波绕射。在地面上的障碍物高度一定的情况下，波长越长，电波传播的主要通道的横截面积越大，相对遮挡面积就越小，接收点的场强就越大，因此频率越低，绕射能力越强。,自由空间传播损耗是指：当发射天线和接收天线的方向系数都为1时，发射天线的辐射功率Pr与接收天线的最佳接收功率PL的比值，记为L0，即,或,自由空间传播损耗,D=1的无方向性发射天线产生的功率密度为,D=1的无方向性接收天线的有效接收面积为,所以该接收天线的接收功率为,于是自由空间传播损耗为,或,自由空间基本传输损耗L0仅与频率f和距离r有关。当f和r扩大一倍时，L0均增加6dB。,设点源发射天线辐射功率为Pt，则距离发射天线处的接收天线处的能流密度S为,考虑到发射天线的增益Gt使接收点的能流密度增大的效果后，实际上接收点的能流密度为,自由空间接收场强,另外，平均能流密度又可表示为,对比,可以得到接收点的场强为,36,衰减因子A：接收点的实际场强E与自由空间场强E0之比。,或,实际接收点的场强E为：,衰减因子A是与工作频率、传播距离、媒质参数、地貌地物状况、传输方式等因素有关的量，因此衰减因子对电波传播的研究是一个很重要的参数。,传输损耗（衰减）,37,实际能流密度S,接收功率Pr,信道的传输损耗L：发射天线的输入功率Pt与接收天线的输出功率Pr（匹配情况时）之比,如用分贝表示，则有,38,如果不考虑设备的影响，只考虑信道（传输媒质）中功率的传输情况，则称为“路径传输损耗”或称为“基本传输损耗”,由于衰减因子A随不同的传播方式、不同的传播情况而不同，因此，计算衰减因子A时应结合不同传播方式进行。,信号电平随时间的起伏变化现象,衰落现象,根据衰落成因不同可以分为：吸收型衰落和干涉型衰落,吸收型衰落:由于媒质的电参数变化，使信号衰减发生了变化，周期一般较长，为慢衰落。,干涉型衰落:由于信号传输的多经效应造成信号干涉加强或者减弱，在移动通信中更为强烈，一般变化强烈，称为快衰落。,40,波前倾斜现象是指由于地面损耗造成电场向传播方向倾斜的一种现象，地面波传播的重要特点之一。,(a)电场方向(b)坡印廷矢量方向,波前倾斜现象,波前倾斜现象的解释1,设直立天线沿x轴放置，辐射垂直极化波，电波能量沿z轴传播，辐射场为Ex1和Hy1。当某瞬间Ex1位于A点，在地面上必然会产生感应电荷。当波向前传播时，便产生了沿z方向的感应电流。由于大地是半导电媒质，有一定的地电阻，故在z轴方向产生电压降，也即在z方向产生新的水平分量Ez2。由于边界电场切向分量连续，即存在Ez1，这样靠近地面的合电场E1就向传播方向倾斜。,波前倾斜现象的解释2,从能量的角度看，由于地面是半导电媒质，电波沿地面传播时产生衰减，这就意味着有一部分电磁能量由空气层进入大地内。坡印亭矢量的方向不再平行于地面而发生倾斜，出现了垂直于地面向地下传播的功率流密度Sx1，这一部分电磁能量被大地吸收。由电磁理论知道，坡印亭矢量是与等相面即波前垂直的，故当存在地面吸收时，在地面附近的波前将向传播方向倾斜。显然，地面吸收越大，Sx1越大，倾斜将越严重。只有沿地面传播的Sz1分量才是有用的。,地面波传播采用垂直极化波，天线则多采用直立天线。波前倾斜现象具有很大的实用意义。可以采用相应形式的天线，有效地接收各场强分量。,地面上：垂直分量大于水平分量地面下：水平分量大于垂直分量,地面波传播特性讨论,地面上电场为狭长椭圆极化波。在短波、超短波段，垂直分量与水平分量相位差趋于零，所以可近似认为电场是与椭圆长轴方向一致的线极化波。,地面波在传播过程中有衰减。沿-x方向传播的功率流密度,电波的传输损耗,频率越低，地面对电波的吸收越小。因此地面波传播方式特别适用于长波、超长波波段。,无线电波绕过传播道路上障碍物的现象称为绕射。从电磁学的基础知识可知,无线电波的绕射现象只有当障碍物大小与波长接近时才显著。突出地形和建筑物等障碍,可能从下方接近甚至遮蔽发射与接收天线间的直接射线,此时无线电波会以绕射方式越过障碍进行传播,从而经受相对于自由空间的附加衰减,即障碍绕射衰减。光滑球面地上的无线电波绕射一般分为刃形障碍绕射和圆形障碍绕射。,障碍影响与电波绕射,球面分层大气的斯奈尔定律,如果球面的半径为无限大,也即球面退化成平面,此时有平面分层情况下的折射公式,即,球面大气中的斯奈尔定律,大气折射指数的梯度决定了射线的弯曲程度。因此,可按射线曲率半径和与地球半径比值的大小对折射进行分类。,当r/a=1时,射线平行于地面,称为临界折射当r/a1时,射线弯向地面,再经地面反射,可传到很远的地方,称为超折射;,大气折射的各种形式,在标准大气情况下,r/a=4,称为标准折射;射线在标准折射和临界折射之间,称为过折射;当dn/dh=0时,r,射线不弯曲;射线在直线和标准射线之间称为次折射;当dn/dh0,r/a0时,射线向上凹,称为负折射。,如果某一区段的折射率梯度远远偏离正常值，刚称这一区段为层结。在电波传播研究中，特别关心大气折射率梯度负得很厉害的层结，即超折射率层或波导层。所谓大气波导是在低层大气中能使无线电波在某一高度上，出现全反射的大气层结。,大气波导,以折射率梯度表示的波导传播条件,形成大气波导传播的气象条件,以M指数梯度表示的波导传播条件,以温度梯度、湿度梯度表示的波导传播条件,温度的逆增和湿度随高度的剧烈逆降都会形成大气波导。与之相对应的大气过程可以分为四类：空气的对流、下沉、地面的辐射冷却和蒸发。(1)对流过程:对流分以下几种情况：干热的空气流向湿冷的表面。如：当沙漠地区来的干热空气流过冷湿的海面时，贴近地面的空气将热量传给了海平面使自身温度有所下降，而较高高度上的空气仍然保持干热的状态；另一方面，海面由于受热而蒸发，水汽进入贴近海面的空气层。形成高地面较高的空气温度高且湿度小，而测控海面的却相反，于是温度逆增层和湿层同时存在，形成大气波导。来自水面的湿冷空气吹向干热的陆地。此时贴近陆地的空气中显然会出现湿层和温度逆增层，因为在较高的高度上空气是干热的。,干冷的空气吹向热湿的表面。此时表面的蒸发将水汽带入干冷空气中，形成梯度很大的湿层，如果湿度随高度的递降得足以抵偿温度随高度的下降的影响，也会产生大气波导。(2)下沉过程:下沉是在高压条件下空气的下降。由于下降时绝热压缩使空气加热,形成稳定的逆温层。同时由于下降的空气干燥、形成稳定层,阻止下层湿空气上升,故同时形成大的水汽压梯度。当温度梯度以及水汽压梯度满足要求时,则形成下沉波导。下沉波导一般为悬空波导,厚度一般为几百米。,(3)辐射过程:白天被晒热的地面对大气加热,夜间地面辐射降温并使低层大气降温,因而形成逆温层。当温度梯度满足要求时,会形成辐射波导。辐射波导为表面波导,在夜间陆地上出现,在高纬度地区出现的机会多于中纬度地区与低纬度地区。(4)蒸发过程:海面与潮湿地面的水汽蒸发可使各种逆温层下面水汽增加,因而逆温层中的水汽压梯度增大,有助于形成波导。在海面上蒸发很快,且水汽分子随高度增加而很快扩散。当水汽梯度满足要求时,则形成蒸发波导。蒸发波导是海面上的表面波导,波导厚度很薄一般在40m以内。,将全国波导出现的基本情况概括为四大波导频繁区和四大无波导区。波导频繁区是波导的年出现概率高于5%的地区,主要有:(1)以香港为代表的南部沿海地区。(2)以台湾省为代表的东南沿海地区(这里波导出现的最频繁,接近30%)。(3)以上海为代表的东部沿海地区。(4)以哈密为代表的西北地区。,我国陆上低空大气波导环境特性,无波导区是波导的年出现概率低于1%的地区，主要有:(1)青藏高原、四川盆地和云贵高原。(2)天山以北地区。(3)黄土高原及内蒙古高原(4)东北平原。另外，以郑州为代表的黄河中下游地区和以武汉为代表的长江中下游地区波导也有较多的出现；处于长江黄河之间的大别山区及长江以南的南岭山区是无波导区。,56,在讨论平地面空间波计算时，常作如下假设：(1)电波的传播距离在视线范围内，且地面可看成平面。(2)收、发天线架设较高，即hr，hs，此时表面波的影响可以忽略不计；同时天线的高度远小于通信距离，即hr、hs60,即时，E可以在0和2E1之间作振荡变化。在选择距离时，应选在最大峰值点。然而事实上，由于天气条件的变化，使电波路程改变，常使r有起伏变化，从而引起衰落。E时大时小，信号不稳定。所以这种由反射波引起的偶然加强并不能带来良好效果，应尽力设法削弱反射波的作用。如增加天线方向性系数、减小反射波、适当选择地形等。,62,气体分子的吸收或辐射：在电磁波的作用下,气体分子从一种能级状态跃迁至另一种能级状态时气体分子便吸收或辐射能量。莱比(Liebe)把频率1THz以上谱线的贡献归结为一个连续的边翼的贡献。提出大气三要素(温度、压力和湿度)表示大气吸收谱线参数的经验公式。,分子光谱,从气体分子吸收频谱来看,存在着三种能级跃迁的类型:第一种是气体分子的电子能级从一种状态跃迁到另一种状态。电子能级跃迁的吸收或辐射频率为2.410152.41016Hz,属于可见光和紫外光。,气体分子吸收和辐射理论,第二种是气体分子的振动能级从一种状态跃迁到另一种状态。吸收或辐射频率为2.410142.41015Hz,属于红外光。第三种是分子的转动能级从一种状态跃迁到另一种状态，纯转动能级的跃迁的能量差很小吸收或辐射频率为2.410102.41012Hz,恰好属于毫米波讨论的范围。研究表明,在频率1THz以下有30条水汽分子谱线和48条氧气分子吸收谱线。,经高空电离层反射后到达接收点的传播方式长、中、短波都可利用天波进行通信传输损耗小，因而可以利用较小的功率进行远距离通信由于电离层是一种随机、色散、各向异性的媒质，电波在其中传播时会产生各种效应，例如多径传输、多普勒频移等都会对传输信号特别是短波信号有较大的影响,天波传播,Nn反射点的电子密度。,电波能从电离返回地面时，电波频率f、入射角0和反射点的电子密度Nn之间必须满足的关系。,无线电波在电离层中的传播,（1）电波频率f。电离层反射电波的能力与电波频率有关。在入射角0一定时，电波频率越低，反射条件要求的Nn越小，电波在电离层中越易反射。,影响反射